深潜山阳探1井钻井提速技术

罗玉财， 李晶莹， 李振昊， 王东明， 程晓东

(1.中国石油华北油田分公司勘探部，河北任丘 062552；2.中国石油华北油田分公司采油工程研究院，河北任丘 062552；3.中国石油渤海石油装备制造有限公司石油机械厂，河北任丘062552)

深潜山阳探1井钻井提速技术

罗玉财1， 李晶莹2， 李振昊3， 王东明1， 程晓东1

(1.中国石油华北油田分公司勘探部，河北任丘 062552；2.中国石油华北油田分公司采油工程研究院，河北任丘 062552；3.中国石油渤海石油装备制造有限公司石油机械厂，河北任丘062552)

为解决深潜山阳探1井钻井中存在的深部地层可钻性差、存在异常高压地层、井壁易失稳、易井斜等技术难点，提高钻井速度，加快勘探进程，开展了钻井提速技术研究。针对地层特征和钻井技术难点，进行了井身结构优化设计、井位预移+方向造斜技术、古近系深层个性化PDC钻头设计与优选、简易控压钻井技术和聚胺KCl钻井液技术的研究，形成了钻井提速综合配套技术。阳探1井顺利达到钻探目的层，三开段平均井径扩大率仅为1.8%，与邻井相比，复杂时效由5.4%降为0，平均机械钻速提高了39.86%，钻井周期缩短了40.20%，建井周期缩短了44.19%，提速效果突出。研究结果表明，深潜山阳探1井钻井提速技术是实现饶阳凹陷深潜山井优快钻井的有效技术手段,可进一步推广应用。

深井 钻井提速 井身结构 PDC钻头 阳探1井 饶阳凹陷

冀中坳陷饶阳凹陷潜山储层存在埋藏深、地温梯度高、异常高压、地层可钻性差等技术难点[1-2]，导致机械钻速低、钻井周期长，严重制约了饶阳深潜山储层的勘探进程。根据调研，国内外钻井提速措施主要是优选高效PDC钻头、使用涡轮钻具、高压喷射钻井和气体钻井等技术[3-7]。应用这些技术虽取得了较好的提速效果，但气体钻井技术、涡轮钻具等的应用有一定的局限性，且成本较高。为此，笔者在深入分析研究邻井钻井技术难点的基础上，参考国内其他油田钻井提速技术[7-12]，根据该区块钻井地质特点，进行了井身结构优化、个性化PDC钻头设计与优选等单项钻井提速技术攻关，并最终形成了适合深潜山探井的钻井提速综合配套技术，并在阳探1井进行了成功应用，且效果显著，提高了钻井速度，避免了井下故障的发生，降低了钻井成本。

1 钻井难点分析

1) 井身结构确定困难。阳探1井设计井深5 700.00 m，潜山界面深达5 500.00 m，地层复杂;邻井钻探时存在井漏、高压气侵和井壁垮塌等井下复杂情况。

2) 自然增斜严重。新生界地层倾角大，Ng组地层倾角为17°～20°，Es组地层倾角高达18°～30°，钻井过程中易自然增斜。已完钻的4口井均发生相同方位的井斜：闭合方位角240°～314°，最大井斜角9°～13°，井底水平位移178.00～290.00 m。

3) 古近系地层机械钻速低。古近系地层埋藏深，地层压实程度高，研磨性强，且深部地层含有铁质泥岩，地层可钻性级值高达6～7，可钻性差，机械钻速低。邻井宁古10井Es3段以上地层抗压强度低，地层岩性变化频繁，可钻性较好，但是机械钻速偏慢，平均仅为1.93 m/h；Es3-Es4段地层可钻性差，平均单只钻头进尺40 m，平均机械钻速仅为0.81 m/h。

4) 存在异常高压地层。Es2段存在异常高压地层，孔隙压力当量密度高达1.28～1.42 kg/L，钻井过程中易发生气侵、井涌、井喷等井控险情。邻井宁古1井钻进至井深4416.70 m发生井喷；宁古10井为了应对气侵，钻井液密度提高至1.85 kg/L，大大增加了井底的压持效应，降低了机械钻速。

5) 地层垮塌严重。古近系地层存在大段泥岩，伊利石和蒙脱石含量高达64%，容易发生泥岩硬脆性垮塌，导致出现“大肚子”，起下钻困难。邻井宁古10井三开井段采用聚硅氟钻井液，平均井径扩大率18.30%，最大井径扩大率46.93%；4 300.00～4 500.00 m井段为大段泥岩，由于井壁垮塌多次进行划眼，平均井径扩大率37.84%。宁古8X井三开井段平均井径扩大率23.51%，最大井径扩大率100.98%，多次划眼，井身质量难以保障。

6) 漏失严重。古近系地层断层发育，阳探1井预计钻遇断层7条。当钻遇断层、潜山交接面的风化壳、潜山低压溶洞和裂缝时易发生漏失。邻井宁古10井在5 483.00～5 484.00 m井段(断层、近风化壳)发生井漏，共漏失钻井液679.34 m3；宁古8X井钻进至井深4 135.00 m(断层)发生漏失，共计漏失钻井液737.31 m3。

7) 井温高。地温梯度达3.08～3.16 ℃/100m，预计进入潜山前地层最高温度达181.75 ℃、井底最高温度达187.85 ℃，要求钻井液有较强的抗高温性能。

2 钻井提速综合配套技术

2.1井身结构优化

2.2 井位预移+反向造斜技术

根据区域地层自然造斜规律，阳探1设计井口向自然增斜反方向(方位角164°)移动180.00 m，但受地面村庄的限制，实际只移动了78.00 m。井深3 800.00 m以浅地层可钻性稍好，采用单弯螺杆+MWD钻进；易斜段上部的3 800.00～4 000.00 m井段向自然增斜反方位造斜2.75°，为深部地层解放钻井参数创造条件；可钻性差的深部地层定向钻进困难，采用钟摆钻具组合钻进，在保证勘探目标的同时释放钻井参数。

2.3 古近系深层个性化PDC钻头设计与优选

基于岩石力学试验结果，细化阳探1井地层可钻性剖面，调研邻井钻头资料，综合考虑地层夹层等因素，优选适合不同层位的个性化PDC钻头，并针对地层特点进行个性化设计[13-14]。

Es1、Es2段地层垂深3 800.00～4 630.00 m，地层抗压强度平均为69 MPa，内摩擦角约为38°，研磨性较强，针对性设计了T1655AUG型钻头。该钻头选用高性能进口PDC复合片；优化切削齿后角，增强了应对高抗压强度地层的能力；优化切削齿抗研磨组合，在鼻部和肩部增加了部分高抗研磨切削齿，提升了切削齿总体抗研磨性；同时优化了钻头保径、后排齿、防碰节、复合片等部位。

Es3段地层垂深4 630.00～5 500.00 m，含黄铁矿及含铁泥岩，地层抗压强度平均为117 MPa，内摩擦角约为42°，优化设计了T1665B型和Q506FHX型钻头。根据Es3段中上部地层特性，T1665B型钻头相对T1655AUG型钻头增加了一个刀翼，增大了切削齿后角。根据Es3段下部地层特性，Q506FHX型钻头优选了具有强抗研磨性的Quantec Force系列切削齿，增强了切削齿的寿命；保径块采用了TSP耐高温聚晶化合物材料，防止钻进高研磨性地层时发生钻头缩径；同时优化了切削深度、侧向移动力平衡等性能。

2.4 简易控压钻井技术

邻井实钻及试油资料证实，Es2-Es3上段地层的异常高压是由大段泥岩沉积过程中残留的高压天然气引起的。钻探过程中泥岩裂缝气瞬间释放并侵入井眼，虽然压力很高，但是产量极低。针对泥岩裂缝气造成的异常高压，采用简易控压钻井技术，气侵时及时利用旋转控制头和节流管汇控压循环、排气点火，保障井口安全，消除井控隐患。配合使用强抑制性聚胺KCl钻井液，在保证井口安全的同时降低钻井液密度至合理附加值的下限，降低井底压持效应，避免发生井下故障，提高钻井速度[15-17]。

2.5 聚胺KCl钻井液技术

针对Es组大段泥页岩井段井壁易垮塌的问题，优化形成具有强抑制性能的聚胺KCl钻井液技术。聚胺KCl钻井液的核心处理剂是抗高温聚胺盐抑制剂，其主要成分是相对分子质量200～500的醚胺类分子，能够嵌入黏土层间，通过醚键与黏土氢键吸附和胺基的独特束缚作用，抑制黏土渗透水化，抑制井壁钻井液的侵入，减少大段泥页岩导致的井下复杂情况[18-19]。要求聚胺KCl钻井液的膨润土污染容量大于30%，防膨率大于75%，抗温能力大于180 ℃。

根据以上要求，优选得到钻井液配方：3.0%～4.0%膨润土+0.2%～0.3%Na2CO3+0.1%～0.2%NaOH+4.0%～8.0%KCl+1.0%～2.0%聚胺抑制剂+2.0%～4.0%DSP-2+2.5%～5.0%无荧光防塌剂+2.0%～4.0%成膜降滤失剂+1.5%～3.0%乳化沥青+0.5%～1.0%增黏剂+0.5%～1.0%RH8501，并进行了基本性能评价。

2.5.1 防塌性能

选取宁古15井Es组泥页岩岩样，分别进行不同钻井液的滚动回收试验，结果如图1所示。由图1可以看出，聚胺KCl钻井液能够有效抑制该区块泥页岩的水化分散，降低井壁垮塌风险。

2.5.2 抗高温性能

对聚胺KCl钻井液进行常温和190 ℃下的性能测试，结果见表2。由表2可以看出，聚胺KCl钻井液高温下的性能稳定。

表2 聚胺KCl钻井液高温性能测试结果

Table 2 Experimental results of high-temperature performance with polyamine potassium chloride drilling fluid

2.5.3 防漏处理措施

1)配合旋转防喷器尽量采用低密度钻井液钻进(三开将钻井液密度控制在1.65 kg/L以内)，降低井漏风险；2)加入随钻堵漏材料和封堵护壁材料，提高地层承压能力；3)控制起下钻速度，防止压力激动或开泵过猛憋漏地层；4)井场储备堵漏所需复合堵漏材料。

2.5.4 维护处理

1)根据钻井速度和钻井液性能,按配浆比例补充增黏剂、降滤失剂和防塌剂；2)及时补充KCl和聚胺抑制剂，保持抑制性能，也可按配方配制聚胺KCl钻井液直接补充；3)根据地质预报及地层实钻情况，合理调整钻井液密度，防止地层缩径、垮塌等现象的发生；4)根据需要加入润滑剂，降低摩阻，预防卡钻；5)加强四级固控设备的使用，合理控制钻井液中的固相含量。

3 现场应用效果分析

阳探1井井身结构优化后，钻探过程顺利，避免了钻探过程中可能发生的风险，未发生井下故障。二开采用φ298.5mm PDC钻头+螺杆钻具的复合钻井技术，与采用传统φ311.1 mm井眼的邻井相比，机械钻速提高了44.66%，提速效果明显。

阳探1井应用井位预移+方向造斜技术，钻至井深5 466.00 m中靶，靶点水平位移103.55 m，闭合方位角298.45°；靶心距(设计靶点与实际靶点)74.12 m，与靶点水平位移相比缩短了28.42%(若无地面条件限制效果将更优)；同时减少了钻井过程中井斜角调整次数和纠斜工作量。在地质倾角基本一致的情况下，阳探1井最大井斜角5.17°，井底水

平位移104.35 m，与邻井相比，井斜角变化明显减小，井底位移也相应缩短，有效地释放了钻井参数，保证了钻井提速。

与邻井同井段相比，阳探1井古近系深层应用个性化PDC钻头后机械钻速提高了53.40%，平均单只钻头进尺提高了405.19%，钻头使用数量减少了12只(见表3)。在提高机械钻速的同时，增加了单只钻头的进尺，减少了钻头的使用量，减少了深井起下钻次数，提速明显。

表3 古近系深层个性化PDC钻头现场应用情况

Table 3 Field application of PDC bit specially designed for deep Paleogene

阳探1井钻井过程中气侵严重，采用控压钻井技术循环、排气、点火17次，保证了井控安全。同时,最高钻井液密度由邻井的1.85 kg/L降至1.53 kg/L，减小了井底压持效应，提高了钻速，减少了井下故障。

三开井段使用聚胺KCl钻井液，密度控制在1.51～1.53 kg/L，顺利钻穿了易垮塌的大段泥页岩地层。使用PDC钻头钻进泥岩层段时，井口返出的钻屑呈一面光滑、一面褶皱的片状，有清晰的PDC复合片的切削痕迹；三开平均井径扩大率1.86%，最大井径扩大率14.82%；起下钻顺利，无挂卡，未发生井下故障，表明聚胺KCl钻井液具有良好的抑制黏土水化分散的能力。阳探1井与邻井三开井径情况如表4所示。

阳探1井通过应用提速综合配套技术，全井平均机械钻速3.93 m/h，钻井周期146.5 d，建井周期164.1 d。与邻井宁古10相比，复杂时效由5.4%降至0，平均机械钻速提高了39.86%，钻井周期缩短了40.20%，建井周期缩短了44.19%，提速效果突出。

4 结论与建议

1) 阳探1井应用深井钻井提速综合配套技术后，大幅度提高了钻井速度，缩短了钻井周期，降低了复杂时率和钻井成本。

2) 科学减小上部井段井眼直径、并配备相应尺寸的钻头和工具，是提高上部大井眼机械钻速的一种有效手段。

3) 简易控压钻井技术+聚胺KCl钻井液技术是解决含裂缝气的异常高压泥页岩地层气侵严重、井壁垮塌等井下故障的一种有效手段，并能有效降低钻井液密度，提高机械钻速。

4) 个性化PDC钻头设计与优选是解决冀中坳陷深井、超深井古近系深层可钻性差、机速低的有效途径，建议进一步开展潜山白云岩地层与高效PDC钻头的适应性和匹配性研究，提高潜山高研磨性地层的机械钻速。

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[编辑 滕春鸣]

ROP Improvement Techniques Applied in Well Yangtan 1 when Drilling into a Deep Buried Hill

Luo Yucai1, Li Jingying2, Li Zhenhao3, Wang Dongming1, Cheng Xiaodong1

(1.ExplorationDepartment，PetroChinaHuabeiOilfieldCompany,Renqiu,Hebei, 062552,China; 2.PetroleumProductionEngineeringResearchInstitute，PetroChinaHuabeiOilfieldCompany,Renqiu,Hebei, 062552,China; 3.PetroleumMachineryPlant，CNPCBohaiPetroleumEquipmentManufactureCo.,Ltd.,Renqiu,Hebei, 062552,China)

During the drilling of Well Yangtan 1 in a deep buried hill, some technical difficulties were encountered, such as poor drillability, abnormal-pressure, sidewall instability and well deviation. In order to solve these problems, studies were conducted on ROP improvement to increase drilling speed and accelerate exploration process. Based on the stratigraphic characteristics and technical difficulties, a series of ROP improvement techniques were comprehensively developed, including casing program optimization, well location shift and directional whipstocking, PDC bit design and selection specially for deep Paleogene, easy pressure control drilling, and polyamine potassium chloride drilling fluid. After this system was applied in the field, the drilling target was reached smoothly, with average hole diameter enlargement rate 1.8% in the third section of drilling. And compared with the adjacent wells, there was noticeable improvement in drilling speed, with efficiency reduction from 5.4% to 0, average ROP increase by 39.86%, drilling cycle reduction by 40.20%, and hole construction cycle reduction by 44.19%. It indicated that ROP improvement techniques used in Well Yangtan 1 in deep buried hill were effective to achieve optimal and fast drilling in deep buried hills in the Raoyang Sag and worthy of wide applications.

deep well; ROP improvement; casing program; PDC bit; Well Yangtan 1; Raoyang Sag

2015-05-13；改回日期：2015-10-27。

罗玉财(1987—)，男，黑龙江宝清人，2012年获东北石油大学油气井工程专业硕士学位，工程师，主要从事钻井工程管理工作。

中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“华北油田上产稳产800万吨关键技术研究与应用” (编号：2014E-35)资助。

◀现场交流▶

10.11911/syztjs.201506024

TE249

A

1001-0890(2015)06-0130-05

联系方式：(0317)2713205，ktb_lyc18@petrochina.com.cn。